哈激光二極管側(cè)抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù)Nd_YAG高功率綠光激光器_圖文

1、第 28卷 第 8期 光 學(xué) 學(xué) 報(bào)Vol. 28, No. 82008年 8月ACTAOP TICA SINICAAugust , 2008文章編號(hào) :025322239(2008 0821543204激光二極管側(cè)抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù) N d YA G 高功率綠光激光器馮忠耀 1 李成榮 2 李 修 3 汪 俊 4 白晉濤 31西北大學(xué)物理學(xué)系 , 陜西 西安 710069;2, 3, 4摘要 (YA G 折疊腔高功率綠光激光器 , 理論分析了熱致 , 。 在考慮了補(bǔ)償后的情況下設(shè)計(jì)了熱 30個(gè) 20W 的 LD 陣列側(cè)面抽運(yùn)的 Nd YA G 棒和 類臨界相位匹配H GTR 2KTP , 在

2、抽運(yùn)電流均為 21. 6A , 重復(fù)頻率為 27. 2k Hz 時(shí) , 獲得了最大平均輸出功率為 164W , 脈沖寬度為 130ns 的 532nm 綠光輸出 , 光 2光轉(zhuǎn)換效率為 13. 7%, 測得光束質(zhì)量因子為 M 2x =9. 52, M 2y =9. 86, 不穩(wěn)定度 為 2. 3%。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 , 經(jīng)補(bǔ)償后的激光系統(tǒng)能在寬的穩(wěn)區(qū)范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 。 關(guān)鍵詞 激光器 ; 高功率 ; 熱致雙折射效應(yīng) ; 532nm 綠光中圖分類號(hào) TN248. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A doi :10. 3788/AOS20082808. 1543L as e r 2Di ode S i de 2P

3、u mp ed Tw o Rods Q u as i 2Co nt i n uo us 2Wa veN d YA G Gree n L as e rFeng Zhongyao 1 Li Chengrong 2 Li Xiu 3 Wang J un 4 Bai J intao 31Dep a r t me nt of Physics , Nor t hwest U niversit y , Xi a n , S ha a n xi 710069, Chi n a2Physics a n d Elect rical Engi neeri ng Dep a r t me nt , Yuli n U

4、niversit y , Yuli n , S ha a n xi 719000, Chi n a3I nstit ute of Photonics a n d Photo 2Tech nology a n d Provi nci al K ey L abor ator y of Photoelect ronic Tech nology ,Nor t hwest U niversit y , Xi a n , S ha a nxi 710069, Chi n a4School of I nf or m a tion Science a n d Tech nology , Nor t hwest

5、 U niversit y , Xi a n , S ha a nxi 710069, Chi n aAbs t r act A laser diode (LD side 2pumped two rods quasi 2continuous 2wave (QCW Nd Y AG green laser has been demonst rated. The influence of thermal biref ringence effect is analyzed. Considering the compensation , a heat 2stablized cavity is desig

6、ned. In the experiment , two sequent Nd Y AG rods side 2p umped by 30×20W laser diodes array and type 2 critical phase 2matched HA TR 2KTP crystal are used. The spot sizes on rod B as a f unction of pumping current before and after compensation are simulated. The green laser output power of 164

7、W has been measured at single laser diode p umping current 21. 6A , with the repetition rate of 27. 2kHz , pulse width of 130ns , optical 2to 2optical conversion efficiency of 13. 7%, beam quality factors of M 2x =9. 52, M 2y =9. 86, and output power fluctuation of 2. 3%.The results show that the sy

8、stem can work at wide stable range after the compensation of the thermal biref ringence effect.Key w or ds lasers ; high power ; thermal biref ringence effect ; 532nm green laser 收稿日期 :2007212207; 收到修改稿日期 :2008204202基金項(xiàng)目 :陜西省科技創(chuàng)新重大項(xiàng)目 (2006156 資助課題 。作者簡介 :馮忠耀 (1975- , 男 , 講師 , 主要從事激光器件及信息光學(xué)等方面的研究 。 E

9、 2mail :fzhy3039550163. com1 引 言激光二極管 (LD 抽運(yùn)的調(diào) Q 全固態(tài)綠光激光 器具有功率高 、 體積小 、 壽命長 、 使用方便等特點(diǎn)而成為其他類型的綠光激光器的替代產(chǎn)品 , 在科研 、 醫(yī)療 、 通信 、 國防等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景 15。為 了獲得更大功率激光輸出 , 通常采用激光二極管陣 列側(cè)面抽運(yùn)多棒串接工作物質(zhì)的方式 , 此時(shí)抽運(yùn)功 率較強(qiáng) , 大量的抽運(yùn)功率轉(zhuǎn)化為熱功率 , 直接導(dǎo)致激 光晶體橫截面內(nèi)的溫度呈不均勻分布 , 從而導(dǎo)致熱 應(yīng)力 、 熱應(yīng)力雙折射 、 激光晶體端面變形等多種熱效 應(yīng) 。 當(dāng)激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) , 激光晶體的熱效應(yīng)是

10、激光系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、 優(yōu)化時(shí)首要考慮的因素之一 6。 在激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)中由溫度梯度引起的 熱透鏡效應(yīng)起主要作用 , 其次是由熱致應(yīng)力雙折射 引起的熱效應(yīng) , 而端面效應(yīng)引起的熱透鏡效應(yīng)最 低 7。 近幾年來 ,世 ,8。論分析與模擬對(duì)比 , 采用 LD 側(cè)面抽運(yùn) Nd YA G 、 雙棒串接 、 H GTR 2KTP 晶體腔內(nèi)倍頻 、 雙聲光調(diào) Q 技術(shù)以及三鏡 V 型腔結(jié)構(gòu) , 并利用大功率抽運(yùn)條件 下激光晶體中的熱效應(yīng)優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu) , 在兩個(gè)激光 半導(dǎo)體模塊抽運(yùn)電流均為 21. 6A 時(shí) , 獲得了 164W 準(zhǔn)連續(xù)綠光激光輸出 , 脈沖寬度為 130ns , 光 2光轉(zhuǎn)換 效率為 1

11、3. 7%。2 理論分析應(yīng)力產(chǎn)生熱應(yīng)變 , 而熱應(yīng)變通過光彈效應(yīng)將改 變介質(zhì)折射率 。 通過光彈效應(yīng)理論 , 由熱引入的應(yīng) 力將會(huì)使棒的折射率產(chǎn)生特殊的變化 , 這時(shí)激光晶 體則可看作在徑向 (r 和切向 ( 兩個(gè)方向上有不同 焦距值的薄透鏡 , 這就是雙折射效應(yīng) 。 同樣地 , 諧振 腔內(nèi)光斑模式也將分成沿徑向偏振和切向偏振兩個(gè) 部分 。 熱致雙折射將顯著地改變激光光束質(zhì)量 , 并 且會(huì)使輸出功率下降 。補(bǔ)償熱致應(yīng)力雙折射的技術(shù)有 :1 對(duì)于含有單 棒的諧振腔 , 可以在激光晶體和反射腔鏡之間插入 45°法拉第旋轉(zhuǎn)器 。 光在每次往返中都要經(jīng)過 45°法 拉第旋轉(zhuǎn)器 ,

12、因此偏振平面旋轉(zhuǎn)了 90°, 這樣可以實(shí) 現(xiàn)雙折射補(bǔ)償 。 2 采用兩個(gè)被動(dòng)光學(xué)元件 , 如波羅 (Porro 棱鏡和波片 , 使光線往返通過熱像差棒 , 也 能夠?qū)崿F(xiàn)雙折射補(bǔ)償 。 3 對(duì)于含有兩個(gè)激光晶體的 系統(tǒng) , 在兩棒之間插入 90°石英旋轉(zhuǎn)片也是一種典 型的補(bǔ)償方法 。 采用這種方法 , 徑向和切向兩個(gè)偏 振方向在兩個(gè)激光晶體之間將發(fā)生改變 , 從而使偏 振得到補(bǔ)償 。 4 在偏振片上設(shè)置光學(xué)成像系統(tǒng)從而 補(bǔ)償雙折射和雙焦點(diǎn) 。實(shí)驗(yàn)中采用第三種補(bǔ)償方法。 在高功率腔內(nèi)倍 頻 Nd YA G 激光系統(tǒng)中 , 激光晶體由于吸收大量抽 運(yùn)能量而被看作類透鏡介質(zhì) , 切

13、向熱焦距與徑向熱焦 距分別用 f r 與 f 表示 , 類透鏡介質(zhì)的傳輸矩陣為M =cos (r , l (n 0r , -1sin (r , l -n 0r , sin (r , l co s (r , l , (1 式中 r , 為引入 f r 和 f , l 為激光晶 體長度 , n 0為折射率 。圖 1諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1Schematic drawing of the resonator configuration圖 2補(bǔ)償前 (a 、 后 (b 激光棒 B 上基頻光斑隨抽運(yùn)電 流的變化關(guān)系Fig. 2Fundamental f requency spot size on r

14、od B as a f unction of pumping current before (a and after (b biref ringence compensation如圖 1所示 , 選擇合適的諧振腔參數(shù) , 以激光棒 B 的主平面為參考面 , 采用 A B CD 光學(xué)傳輸矩陣和 光斑半徑的表達(dá)式 , 我們分別模擬了加入石英旋轉(zhuǎn) 片前后激光棒 B 上的光斑半徑隨抽運(yùn)功率的變化 情況 , 如圖 2(a 、 圖 2(b 所示 。由圖 2(a 可知 , 當(dāng) 不加石英旋轉(zhuǎn)片時(shí) , 徑向和切向兩個(gè)偏振方向上的 光斑半徑重合度不高 , 且穩(wěn)區(qū)范圍差距較大 , 而系統(tǒng) 4451的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域是兩

15、個(gè)偏振方向上穩(wěn)區(qū)重合的公共 部分 , 這就使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)區(qū)范圍很窄 ; 加入石英旋轉(zhuǎn) 片后 圖 2(b , 徑向和切向光斑重合度變高 , 且系 統(tǒng)穩(wěn)區(qū)范圍比不加石英旋轉(zhuǎn)片時(shí)下更寬 , 說明雙折 射效應(yīng)得到了補(bǔ)償 。3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示 , 將兩個(gè)型號(hào)相同的半導(dǎo) 體激光抽運(yùn)組件 (美國 CEO 串接 , 同步驅(qū)動(dòng) 。每個(gè) 組件由 30個(gè) 20W 的 LD 組成 ,側(cè)面抽運(yùn) Nd YA G , 1200 Nd YA G 利用 具有抗 灰 線 H 2KTP 作 為 倍 頻 晶 體 (5mm ×5mm 15mm , 以色列 RA ICLO Crystals 公司 , 采用 II 類

16、臨界相位匹配方式 (<=23. 8°, = 90° , 并實(shí)施恒溫控制 , 不但減小了倍頻晶體的熱透 鏡效應(yīng) , 而且在一定程度上補(bǔ)償了因熱效應(yīng)引發(fā)的倍 頻晶體相位失配 , 提高了倍頻效率。 調(diào) Q 方式采用正 交放置、 同步驅(qū)動(dòng)的雙聲光調(diào) Q 模塊 , 中心頻率為 27k Hz , 調(diào)制頻率在 1100k Hz 可調(diào) , 以實(shí)現(xiàn)在高 功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)下聲光調(diào) Q 所具有的較高的關(guān)斷能 力 , 增大基波脈沖的峰值功率 , 減少倍頻晶體的熱效 應(yīng) , 提高倍頻效率 。平凹鏡 M 1凹面鍍 1064nm 高 反與 532nm 增透的雙色膜 , 平面鍍 532nm 增透 膜 ;

17、 平凹鏡 M 2凹面鍍 1064nm 與 532nm 雙色高反 膜 ; 平面鏡 M 3內(nèi)表面鍍 1064nm 與 532nm 雙色高 反膜 。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 3是 532nm 綠光輸出功率隨抽運(yùn)電流的變 化關(guān)系 。 由圖可知隨抽運(yùn)電流的增大 , 綠光輸出功 率逐漸升高 , 當(dāng)兩塊半導(dǎo)體激光模塊抽運(yùn)電流均為 I =21. 6A , 重復(fù)頻率為 27. 2k Hz 時(shí) , 獲得了 532nm 綠光最大平均輸出功率為 164W , 脈沖寬度為 130ns , 光 2光轉(zhuǎn)換效率為 13. 7%。整個(gè)過程中 , 激光系統(tǒng) 都在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn) 。在輸出功率 164W 時(shí) , 使用 美國 Spiricon

18、公司生產(chǎn)的 LBA 2200光斑測試儀 , 測 得光束質(zhì)量因子 M 2x =9. 52, M 2y =9. 86。激光器連 續(xù)工作 2h 以上 , 每隔 15s 測量一次輸出功率 , 輸出 功率 不 穩(wěn) 定 度 為 2. 3%。圖 4為 綠 光 激 光 輸 出 164W 時(shí)距輸出鏡 70cm 處激光輸出橫向相對(duì)功率 分布圖 (圖中只給出了一維方向上的分布 , 它表明 激光輸出的遠(yuǎn)場光斑近似具有 TEM 00模的空間分 布 , 圖中實(shí)線代表理論值 , 圓點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)值 。 圖 5為 激光輸出最大功率下綠光的脈沖寬度圖 。圖 3不同抽運(yùn)電流下綠光輸出功率Fig. 3532nm output powe

19、r at different pumping currents of laser diode圖 4激光輸出橫向相對(duì)光強(qiáng)分布Fig. 4Horizontal relative intensity distribution of the output laser beam圖 5綠光脈寬圖Fig. 5Pulse width of green laser5 結(jié) 論用石英旋轉(zhuǎn)片補(bǔ)償熱致雙折射 , 理論分析和實(shí) 驗(yàn)研究表明 , 這種補(bǔ)償方法能使徑向和切向偏振方 向上的光斑重復(fù)度變高 , 使激光二極管陣列側(cè)面抽 運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù) Nd YA G 綠光激光器在較寬的 穩(wěn)區(qū)范圍內(nèi)工作 , 為研究全固態(tài)綠光激光器

20、提供了 一條新的技術(shù)途徑 。545 1參 考 文 獻(xiàn)1Sui Chen , Wenxiong Lin , Fei Shi et al. . Energy reduction :a technique for seed 2injection locking of single 2axial 2mode Q 2 switched Nd YA G laserJ.Chin. Opt. Lett. , 2007, 5(4 :223 2252Ji Jianghua , Qi Yunfeng , Zhu Xiaolei et al. . High 2power quasi 2 continuous 2wav

21、e Nd YA G ceramic laserJ.Acta Optica S inica , 2006, 26(3 :415418紀(jì)江華 , 漆云鳳 , 朱小磊 等 . 大功率準(zhǔn)連續(xù) Nd YA G 陶瓷激光器 研究 J.光學(xué)學(xué)報(bào) , 2006, 26(3 :4154183Wang Nuanrang , Wang Canzhao , Yuan Ligang et al. . 138W narrow pulse 2widt h solid 2state green laser operationJ.Chin. J. Lasers , 2006, 33(8 :10171020王暖讓 , 王燦召 ,

22、 苑利鋼 等 . 138WJ.中國激光 , 2006, 33(8 :10174Qi Yunfeng , Lou , . W continuous 2O 3J . Acta Optica , :798漆云鳳 , 等 . Y 2O 3陶瓷薄片激光器獲得 10. 5 W 連續(xù)激光輸出 .光學(xué)學(xué)報(bào) , 2006, 26(5 :7977985Bi Y ong , Sun Zhipei , Li Ruining et al. . High power blue Nd YA G laser by int racavity summing frequency J .Optics and Precision E

23、ngineering , 2005, 13(1 :1621畢 勇 , 孫志培 , 李瑞寧 等 . 高平均功率腔內(nèi)和頻藍(lán)光 Nd YA G 激光器 J.光學(xué)精密工程 , 2005, 13(1 :16216Y. F. Chen , T. M. Huang , C. F. Kao et al. . Optimization inscaling fiber 2coupled laser 2diode end 2pumped lasers to higher power :influence of t hermal effect sJ.I E E E Quant. Elect ron. , 1997, 33(8 :142414297W. K oechner. Soli d 2S tate L aser Engineering M .5t h ed. , Beijing :Science Press , 2002. 357364